一種igbt串聯(lián)閥段的主動均壓控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種IGBT串聯(lián)閥段的主動均壓控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)對電力電子技術(shù)的需求，高壓大功率電力電子技術(shù)的研宄成為當(dāng)今 電力系統(tǒng)研宄中一個重要分支。目前由于電力電子器件的單管耐壓低、容量小很難直接應(yīng) 用于電力系統(tǒng)中，因此高壓大功率電力電子裝置往往采用以下三種拓?fù)洌?br>[0003] (1)基于IGBT器件直接串聯(lián)的電壓源換流器；
[0004] (2)基于換流單元串聯(lián)的模塊化多電平電壓源換流器；
[0005] (3)前二者相結(jié)合的串聯(lián)模塊化電壓源換流器。
[0006] 基于IGBT器件串聯(lián)與換流單元串聯(lián)相結(jié)合的電壓源換流器是目前高壓大容量換 流器發(fā)展的方向，很好的解決了高壓環(huán)境下，IGBT器件串聯(lián)數(shù)增大帶來的應(yīng)力高、均壓難 及子單元串聯(lián)數(shù)量大、控制復(fù)雜的問題，比較適合500kV、1000MW級以上的超特高壓應(yīng)用場 合。
[0007] 串聯(lián)模塊化電壓源換流器（ABB稱為級聯(lián)兩電平換流器，S卩CTL換流器）能夠?qū)崿F(xiàn) 與系統(tǒng)功率交換且具有完整結(jié)構(gòu)的三相電壓源換流器，其由三個相同結(jié)構(gòu)的相單元構(gòu)成， 每個相單元由兩個相同結(jié)構(gòu)的換流閥構(gòu)成。如電壓源換流器包含六個換流橋臂，各橋臂由 一定數(shù)量的具有相同結(jié)構(gòu)的子單元和一個橋臂電抗器L串聯(lián)構(gòu)成，各相上下橋臂構(gòu)成一個 相單元。根據(jù)交流電壓幅值、換流閥臂電流方向控制子單元輸出電壓狀態(tài)，實現(xiàn)電壓源換流 器與交流系統(tǒng)能量交換。通過改變子單元數(shù)量，可以靈活改變電壓源換流器的輸出電壓等 級。
[0008] 串聯(lián)模塊化子單元是換流器的最小功率單元，一個標(biāo)準(zhǔn)的子單元結(jié)構(gòu)如圖1所 示，其中，Tl~T4為內(nèi)部集成有反并聯(lián)二級管的IGBT功率器件，GUl~GU4相對應(yīng)的驅(qū)動 板卡，PW為與直流電容并聯(lián)的取能電路，SMC為子單元控制器，TP為旁路用晶閘管，K為旁 路快速機械開關(guān)。
[0009] 圖1中可見，器件串聯(lián)構(gòu)成的IGBT串聯(lián)閥段是子單元基本特征之一。器件直接串 聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單，控制相對容易，但對器件及驅(qū)動信號的一致性要求較高，IGBT電壓平衡控制則 顯得十分重要。
[0010] 為了實現(xiàn)IGBT在IOkV及更高電壓等級的更大應(yīng)用，IGBT器件直接串聯(lián)技術(shù)一直 是電力電子領(lǐng)域研宄熱點之一。影響IGBT串聯(lián)效率和可靠性的機理主要有：靜態(tài)電壓不平 衡機理和開關(guān)過程中動態(tài)電壓不平衡機理。
[0011] (I)IGBT串聯(lián)靜態(tài)電壓不平衡機理
[0012] 靜態(tài)電壓不平衡主要是由于IGBT器件制造時的個體差異性。這種器件個體差異 性主要是各個器件的PN結(jié)特性不一致，即斷態(tài)時各個器件的等效電阻不同。此外，溫度對 IGBT及反并聯(lián)二極管（FWD)靜態(tài)電壓不平衡也有較大影響。隨著溫度的上升，IGBT及FWD 漏電流及其分散性均會顯著增加，從而導(dǎo)致靜態(tài)電壓分布的不平衡度加大。
[0013] (2)IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓不平衡的產(chǎn)生機理
[0014] 產(chǎn)生開關(guān)過程中的動態(tài)電壓不平衡的主要原因有三：其一，器件特性參數(shù)的個體 差異性，例如柵極等效電阻、柵射極等效電容、柵集極等效電容、集射級等效電容等；其二， 主回路雜散參數(shù)和緩沖回路參數(shù)的個體差異性；其三，驅(qū)動信號的非同步性（幅值和角 度）。這種非同步性可能是上級單元信號的延遲、柵極電路與驅(qū)動電路元器件的差異等原因 造成的。
[0015] 在實際應(yīng)用中，IGBT開關(guān)速度往往要求達到千赫茲水平。在如此快速的開關(guān)動態(tài) 過程中，器件上會經(jīng)歷急劇的電壓、電流變化，給器件造成了很大的應(yīng)力，其動態(tài)電壓不平 衡問題也更加嚴(yán)重和難以解決，因此對其控制也更加困難。
[0016] 抑制IGBT串聯(lián)時的電壓不平衡的措施主要采用無源緩沖電路、有源緩沖電路、有 源箝位電路、主從控制技術(shù)、主動均壓控制等。
[0017] ⑴無源緩沖電路
[0018] 如圖2所示，無源緩沖電路主要是并聯(lián)一個電阻Roff來靜態(tài)均壓，并聯(lián)一個電 阻-電容（RC)或電阻-電容-二極管（RCD)來動態(tài)均壓。大功率IGBT都有較明顯的拖尾 電流現(xiàn)象。拖尾電流是一個幅值通常約為通態(tài)電流百分之幾的、具有較大的時間常數(shù)的呈 指數(shù)性衰減的相對較小的電流。而且每個器件的拖尾電流都不相同。拖尾電流在關(guān)斷后的 很長時間內(nèi)都能影響不同串聯(lián)器件間的電壓分配。無源緩沖電路可以補償各器件上的電 流，減小由拖尾電流差異導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電壓差異。
[0019] 無源緩沖電路設(shè)計和使用都較容易，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性也較高。但是，器件要承受 較大的電壓和電流，尺寸較大，所占空間和成本也較高，而且電容上的能量都要通過電阻放 電，電路功耗較大。
[0020] 2、有源緩沖電路
[0021] 如圖3所示，有源緩沖電路主要是在IGBT門極和集電極之間串聯(lián)一個電阻和電 容。增加電容可較好地調(diào)節(jié)IGBT的關(guān)斷特性，米勒電容在高電壓下與低電壓下的比例大大 升高，顯著提高IGBT在關(guān)斷時的門極電容，減小了關(guān)斷時的電壓變化率。串聯(lián)一個取值較 大的電阻可保證電路不發(fā)生振蕩。
[0022] 有源緩沖電路方法簡單且易實現(xiàn)，IGBT開通時，電阻的作用使得緩沖電路中的電 流遠(yuǎn)小于門極電流，基本可忽略，不會對開通過程造成影響。但是損耗也比較大，并且無法 對器件的電壓不平衡程度進行動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0023] (3)有源箝位電路
[0024] 如圖4所示，有源箝位電路主要是將集電極-發(fā)射極或集射電壓通過一個穩(wěn)壓元 件直接反饋到柵極控制驅(qū)動電路。如果檢測的電壓超過所給定的最大電壓值，則柵極電壓 將被提升，從而使集電極或漏極電流增加，直到工作點移至輸出特性的放大區(qū)。反饋支路的 基本形式一般包括一個穩(wěn)壓齊納二級管和一個串聯(lián)二極管，后者可以防止在IGBT開通期 間電流從驅(qū)動電路流向集電極。此外，還可以另加入一只電阻消除箝位電路中雜散電容和 電感的影響，防止電路振蕩。
[0025] 有源箝位電路的方法簡單且易實現(xiàn)，不需要功率電阻和緩沖電容，箝位能量較低， 常用于電壓源型變流器的IGBT短路保護。此外，與有源箝位相類似的方法還有檢測du/dt、 di/dt的箝位電路。
[0026] (4)主動均壓控制
[0027] 如圖5所示，IGBT串聯(lián)主動均壓控制策略是通過上級控制設(shè)置串聯(lián)IGBT器件的參 考電壓Vce_REF，并下傳至每只IGBT級的門極單元（GateUnit，⑶）。門極單元（GateUnit， GU)中引入多重閉環(huán)反饋，使IGBT開關(guān)過程中集射級電壓VCE跟隨如圖6所示的參考電壓 Vce-REF,

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028] 為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供了一種IGBT串聯(lián)閥段的主動均壓控制方 法。
[0029] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0030] 所述方法包括構(gòu)建IGBT串聯(lián)閥段的均壓控制電路，向所述均壓控制電路發(fā)送PWM 調(diào)制信號，對所述IGBT串聯(lián)閥段中的IGBT進行均壓控制；所述IGBT串聯(lián)閥段由第一IGBT 和第二IGBT串聯(lián)組成。
[0031] 優(yōu)選的，所述均壓控制電路包括IGBT驅(qū)動單元、緩沖器、運算放大器、集電極電壓 采樣單元、集電極電壓變化率采樣單元和門極電壓采樣單元；
[0032] 所述IGBT驅(qū)動單元包括第一IGBT驅(qū)動單元和第二IGBT驅(qū)動單元；所述緩沖器包 括第一緩沖器和第二緩沖器；所述運算放大器包括第一運算放大器、第二運算放大器、第三 運算放大器和第四運算放大器；所述集電極電壓采樣單元包括第一集電極電壓采樣單元和 第二集電極電壓采樣單元；所述集電極電壓變化率采樣單元包括第一集電極電壓變化率采 樣單元和第二集電極電壓變化率采樣單元；所述門極電壓采樣單元包括第一門極電壓采樣 單元和第二門極電壓采樣單元；
[0033] 優(yōu)選的，所述均壓控制電路的第一IGBT驅(qū)動單元與第一IGBT的門極連接，第一緩 沖器連接于第一運算放大器的輸出端與所述第一IGBT驅(qū)動單元之間；
[0034] 第一集電極電壓變化率采樣單元的一端與第一運算放大器的輸出端連接，另一端 與第一IGBT的集電極連接；
[0035] 第一集電極電壓采樣單元的一端與第四運算放大器的同相輸入端連接，另一端與 第一IGBT的集電極連接；
[0036] 第一門極電壓采樣單元的一端與第一運算放大器的反相輸入端連接，另一端與第 一IGBT的門極連接；
[0037] 優(yōu)選的，所述均壓控制電路的第二IGBT驅(qū)動單元與第二IGBT的門極連接，第二緩 沖器連接于第二運算放大器的輸出端與所述第二IGBT驅(qū)動單元之間；
[0038] 第二集電極電壓變化率采樣單元的一端與第二運算放大器的輸出端連接，另一端 與第二IGBT的集電極連接；
[0039] 第二集電極電壓采樣單元的一端與第四運算放大器的反相輸入端連接，另一端與 第二IGBT的集電極連接；
[0040] 第二門極電壓采樣單元的一端與第二運算放大器的反相輸入端連接，另一端與第 二IGBT的門極連接；
[0041] 優(yōu)選的，所述第一運算放大器的同相輸入端與所述第三運算放大器的輸出端連 接，所述第二運算放大器的同相輸入端也與第三運算放大器的輸出端連接；
[0042] 所述第三運算放大